DE102011005496A1

DE102011005496A1 - Schmierungssystem für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zum Schmieren

Info

Publication number: DE102011005496A1
Application number: DE102011005496A
Authority: DE
Inventors: Jan Mehring; Hans Günter Quix
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2011-03-14
Filing date: 2011-03-14
Publication date: 2012-09-20
Also published as: US10215066B2; US8857403B2; RU2012109586A; US20170130623A1; CN102678224A; US20120234286A1; US20150027389A1; US9593621B2; CN102678224B

Abstract

Ein Schmierungssystem (5) für einen Verbrennungsmotor (1) umfaßt einen Schmiermittelkreislauf (6), einen Kühler (11) zum Kühlen des Schmiermittels, einen stromaufwärts des Motors (1) angeordneten Wärmespeicher (15) zum Aufwärmen des Schmiermittels, der parallel zu dem Kühler (11) geschaltet ist, undreislaufs (6) zwischen Kühler (11) und Wärmespeicher (15).

Description

Die Erfindung betrifft ein Schmierungssystem für einen Verbrennungsmotor und ein Verfahren zum Schmieren des Verbrennungsmotors.
Derzeitige typische interne Verbrennungsmotoren sind hoch effizient, was zu einer Verschlechterung des Aufwärmens des Motors führt. Kaltes Motoröl verursacht einen Anstieg im Kraftstoffverbrauch aufgrund der erhöhten inneren Reibung des Motors. Zahlreiche Verfahren werden ausgenutzt, um das Motoröl schneller aufzuwärmen. Ein üblicher Ansatz ist die Verwendung eines chemischen Wärmespeichers. Aufgrund der niedrigen Erwärmungsleistung eines angemessenen chemischen Wärmespeichers, die im Bereich von 2–3 KW liegt, werden einige Minuten benötigt, um die vollständig verfügbare Wärme auf den Motor zu übertragen. Die Zeit der Übertragung der Wärmeenergie muß so kurz wie möglich sein, um signifikante Vorteile bei der Kraftstoffeinsparung direkt nach einem Kaltstart des Motors zu erzielen. Des weiteren ist ein Kühlmittelkreislauf durch den Motor notwendig, um die Energie des Wärmespeichers auf den Motor zu übertragen.
DE 33 44 484 A1 , DE 29 27 680 A1 und EP 2 103 789 A1 zeigen Systeme zum Aufwärmen eines Motors mit einem Wärmespeicher und einem zusätzlichen Kreislauf für ein Kühlmittel.
DE 10 2005 052 632 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Erwärmen einer Kraftmaschine mit einem Ölwärmespeicher. In dem Ölwärmespeicher wird hoch temperiertes Öl während des Betriebs des Motors gespeichert. Der Ölwärmespeicher ist hoch gedämmt, so dass das Öl seine Temperatur im wesentlichen auch über einen längeren Zeitraum halten kann. Bei einem Kaltstart des Motors wird zunächst das hoch temperierte Öl aus dem Ölwärmespeicher verwendet. Die Verwendung des Ölwärmespeichers erfordert hohen konstruktiven Aufwand.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, das Aufwärmverhalten eines Verbrennungsmotors zu verbessern.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 9 beziehungsweise 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfaßt ein Schmierungssystem für einen Verbrennungsmotor einen Schmiermittelkreislauf, einen Kühler zum Kühlen des Schmiermittels, einen stromaufwärts des Motors angeordneten Wärmespeicher zum Aufwärmen des Schmiermittels, der parallel zu dem Kühler geschaltet ist, und ein Ventil zum Umschalten des Schmiermittelkreislaufs zwischen Kühler und Wärmespeicher. Gemäß der Erfindung findet die Aufwärmung direkt im Schmiermittelkreislauf statt, es wird kein zusätzlicher Kühlmittelkreislauf benötigt. Es kann daher eine so genannte ”No Flow Strategy” realisiert werden, was weiteren Spielraum bei der Einsparung von Kraftstoff ermöglicht. Das Schmiermittel wird direkt und gezielt aufgewärmt, so dass der Motor auch nach einem Kaltstart reibungsarm und damit mit niedrigem Verbrauch läuft. Die Parallelschaltung von Kühler und Wärmespeicher mit Ventil zum Umschalten ist konstruktiv einfach und effizient im Betrieb. Bedingt durch den einfachen Aufbau des Schmierungssystems und dadurch, dass lediglich ein Ventil und ein Wärmespeicher benötigt werden, läßt sich das erfindungsgemäße Schmierungssystem auch in bestehenden Motoren nachrüsten.
Das Schmiermittel kann Öl sein. Aufgrund der niedrigen Wärmekapazität des Öls im Vergleich zu einem Kühlmittel kann ein höherer Temperaturanstieg des Öls im Vergleich zum Kühlmittel mit der gleichen Entladeleistung erzielt werden. Die Temperaturerhöhung des Öls führt zu einer erheblichen Verringerung der Reibung innerhalb des Motors.
Eine Pumpe kann im Schmiermittelkreislauf zur Förderung des Schmiermittels angeordnet sein. Mittels einer Pumpe kann das Schmiermittel durch den Schmiermittelkreislauf gefördert werden, was das Temperaturverhalten von Öl und Motor verbessert.
Der Wärmespeicher kann ein chemischer Wärmespeicher sein. Ein chemischer Wärmespeicher ist wartungsarm und hat bei vernünftiger Wärmespeicherkapazität eine gute Leistungsfähigkeit bei der Abgabe und Aufgabe von Wärme.
Der Schmiermittelkreislauf kann in einem Normalbetrieb durch oder an dem Kühler vorbei verlaufen und in einem Aufwärmbetrieb durch oder an dem Wärmespeicher vorbei verlaufen. In einem Normalbetrieb, d. h. wenn das Öl und/oder der Motor ihre Betriebstemperatur erreicht haben und/oder wenn der Wärmespeicher seine verfügbare Energie an das Öl abgegeben hat, wird das Öl von dem Kühler gekühlt. In einem Aufwärmbetrieb, zum Beispiel nach einem Kaltstart oder wenn das Öl und/oder der Motor ihre Betriebstemperatur noch nicht erreicht haben, wird das Öl von dem Wärmespeicher erwärmt.
Der Wärmespeicher kann derart an dem Schmiermittelkreislauf angeordnet sein, dass der Wärmespeicher im Normalbetrieb von dem Schmiermittel aufgeladen wird. Nachdem der Motor seine Betriebstemperatur erreicht hat, kann der Wärmespeicher von dem Schmiermittel aufgeladen werden, um bei einem erneuten Kaltstart wieder Wärme abgeben zu können. Aufgrund der höheren Temperatur des Öls im Vergleich zu einem Kühlmittel ist die Aufladung des Wärmespeichers effizienter.
Die Kühlleistung des Kühlers kann im wesentlichen gleich der Ladeleistung für den Wärmespeicher sein. Dadurch wird die Öltemperatur während eines warmen Betriebszustands nicht durch das Aufladen des Wärmespeichers beeinflußt.
Der Wärmespeicher kann direkt stromaufwärts des Motors angeordnet sein. Damit ist auch für Schmiermittel mit niedriger Wärmekapazität wie zum Beispiel Öl garantiert, dass erwärmtes Schmiermittel in den Motor eintritt, so dass die Reibung im Motor auch nach einem Kaltstart reduziert ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung umfaßt ein Verbrennungsmotor ein Schmierungssystem wie zuvor beschrieben. Der Verbrennungsmotor hat die gleichen Vorteile und Ausgestaltungen wie für das Schmierungssystem beschrieben.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Schmieren eines Verbrennungsmotors mit einem Schmiermittelkreislauf die folgenden Schritte:

– Zirkulieren des Schmiermittels entlang eines Wärmespeichers in einem Aufwärmbetrieb;
– Umschalten des Schmiermittelkreislaufs in einen Normalbetrieb;
– Zirkulieren des Schmiermittels entlang eines Kühlers, der zum Wärmespeicher parallel geschaltet ist, in dem Normalbetrieb.

Gemäß der Erfindung wird in einem Aufwärmbetrieb, bei dem das Schmiermittel und/oder der Motor seine Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat (wie zum Beispiel nach einem Kaltstart), der Kühler gewissermaßen überbrückt und das Schmiermittel durch oder entlang eines Wärmespeichers zirkuliert, so dass das Öl direkt und schnell erwärmt wird. So kann auf einfache Weise auch direkt nach einem Kaltstart die Reibung innerhalb des Motors verringert werden.
Der Wärmespeicher kann im Normalbetrieb aufgeladen werden. Nachdem der Motor seine Betriebstemperatur erreicht hat, kann der Wärmespeicher von dem Schmiermittel aufgeladen werden, um bei einem erneuten Kaltstart wieder Wärme abgeben zu können. Dies erlaubt ein effizientes Gesamtsystem.
Es kann in den Normalbetrieb umgeschaltet werden, wenn der Wärmespeicher die verfügbare Energie abgegeben hat und/oder wenn das Schmiermittel bzw. der Motor eine Betriebstemperatur erreicht hat. Wenn eine oder beide Bedingungen erfüllt sind, ist ein effizienter Aufwärmbetrieb beendet und es wird in den dann effizienteren Normalbetrieb umgeschaltet.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben, in denen zeigt:
1 ein Blockschaltbild eines Motors mit Schmierungssystem gemäß der Erfindung.
Die Zeichnung dient lediglich der Erläuterung der Erfindung und schränkt diese nicht ein. Die Zeichnung und die einzelnen Teile sind nicht notwendigerweise maßstäblich. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche oder ähnliche Teile.
1 zeigt einen schematisch dargestellten Verbrennungsmotor 1 mit vier Zylindern 2, die in einem Motorblock 3 angeordnet sind. Unterhalb des Motors 3 befindet sich eine Ölwanne 4.
Ein Schmierungssystem 5 hat einen Schmiermittelkreislauf 6, durch den ein Schmiermittel in diesem Fall Öl zirkuliert. An einem Eintrittspunkt 7 tritt das Öl in den Motor 1 ein, wo es mittels einer Hauptölgalerie 8 zu den Zylindern 2 bewegt wird. Von dort gelangt das Öl durch den Motor 1 in die Ölwanne 4. Eine Ölpumpe 9 fördert das Öl durch eine Leitung 10, die den Motor 1 verläßt. Die Leitung 10 führt zu einem Kühler 11, in dem das Öl abgekühlt wird. Über eine weitere Leitung 12, die mit dem Eintrittspunkt 7 verbunden ist, zirkuliert das Öl zurück in Richtung des Motors 1.
In der Leitung 10 ist stromaufwärts des Kühlers 11 ein Ventil 13 angeordnet. Von dem Ventil 13 geht eine Zweigleitung 14 ab, die zu einem Wärmespeicher 15 führt. Der Wärmespeicher 15 ist zum Beispiel ein chemischer Wärmespeicher mit einer Wärmespeicherkapazität von zum Beispiel 2–3 KW. Eine Ableitung 16 des Wärmespeichers 15 ist an die Leitung 12 angeschlossen. Der Wärmespeicher 15 ist in unmittelbarer Nähe des Motors 1 angeordnet. Insbesondere befindet sich die Ableitung 16 in unmittelbarer Nähe des Eintrittspunktes 7. Es ist auch möglich, dass die Ableitung 16 direkt zu dem Eintrittspunkt 7 führt, die Ableitung 16 und die Leitung 12 also gewissermaßen parallel in den Motor 1 eintreten.
Der Wärmespeicher 15 ist parallel zu dem Kühler 11 geschaltet, wobei mittels des Ventils 13 gesteuert wird, ob der Schmiermittelkreislauf 6 durch den Kühler 11 oder durch den Wärmespeicher 15 verläuft.
Das Schmierungssystem 5 umfaßt den Kühler 11, den Wärmespeicher 15, das Ventil 13 sowie den Schmiermittelkreislauf 6. Dem Schmiermittelkreislauf 6 können die dem Motor 1 externen Komponenten wie zumindest ein Teil der Leitung 10, die weitere Leitung 12, die Zweigleitung 14 und die Ableitung 16 zugeordnet sein. Es ist auch möglich, den Schmiermittelkreislauf 6 dahingehend zu definieren, dass auch motorinterne Komponenten wie die Hauptölgalerie 8, die Ölwanne 4 und die Ölpumpe 9 Bestandteile des Schmiermittelkreislaufs 6 sind. Weiterhin kann das Schmierungssystem 5 Bestandteil des Motors 1 sein.
Nun wird die Betriebsweise des Schmierungssystems 5 erläutert. Nach einem Kaltstart des Motors 1, d. h. wenn das Öl bzw. der Motor 1 kalt also unterhalb der Betriebstemperatur ist und der Wärmespeicher mit Energie geladen ist, schaltet das Ventil 13 die Zirkulation des Öls auf den Wärmespeicher 15 um. Der Ölkühler 11 wird in diesem Aufwärmbetrieb überbrückt. Die Steuerung des Ventils 13 kann zum Beispiel vom Motormanagement des Motors 1 übernommen werden.
Das kalte Öl zirkuliert durch den Wärmespeicher 15 hindurch oder entlang des Wärmespeichers 15, was durch die Bauart des Wärmespeichers 15 bedingt sein kann. Über die Ableitung 16 verläßt das nun erwärmte Öl den Wärmespeicher 15 und tritt in den Motor 1 ein. In dem Motor 1 gelangt es über die Hauptölgalerie 8 zu den Zylindern 2, welche von dem Öl geschmiert werden.
Aufgrund der niedrigen Wärmekapazität des Öls im Vergleich zu einem Kühlmittel und der Anordnung des Wärmespeichers 15 unmittelbar am Motor 1 oder anders ausgedrückt unmittelbar vor der Hauptölgalerie 8, tritt das Öl mit erheblich erhöhter Temperatur in den Motor 1 ein, was zu einer erheblichen Reduktion der Reibung führt. Mit dieser Konfiguration kann das kalte Öl um beispielsweise etwa 25°C erwärmt werden.
Der Begriff ”unmittelbar am Motor” kann dahingehend definiert werden, dass der Weg vom Wärmespeicher 15 zum Eintrittspunkt 7 oder zu der Hauptölgalerie 8 so kurz ist, dass das aus dem Wärmespeicher 15 austretende erwärmte Öl sich nicht oder nur unwesentlich abkühlt. Die tatsächliche räumliche Anordnung des Wärmespeichers 15 kann entsprechend weiter entfernt sein, wenn die Ableitung 16 und/oder zumindest ein Teil der Leitung 12 isoliert ist, um den Wärmeverlust des Öls zu verringern oder zu verhindern.
Das durch den Motor 1 durchlaufende Öl wird in der Ölwanne 4 aufgefangen und von dort durch die Ölpumpe 9 wieder aus dem Motor 1 heraus befördert. An dem Ventil 13 wird das Öl wiederum durch den Wärmespeicher 15 zurück zu dem Motor 1 zirkuliert. Dieser Aufwärmbetrieb hält so lange an bis das Öl bzw. der Motor 1 seine Betriebstemperatur erreicht hat und/oder der Wärmespeicher 15 seine verfügbare Energie abgegeben hat.
Nun wird in den Normalbetrieb übergegangen. Dazu schaltet das Ventil 13 den Schmiermittelkreislauf 6 auf den Ölkühler 11 um. Jetzt wird das Öl, das seine Betriebstemperatur erreicht hat, durch den Kühler 11 abgekühlt, um so eine Überhitzung des Öls und des Motors 1 zu verhindern.
Während des Normalbetriebs wird der von dem Kaltstart entleerte Wärmespeicher 15 durch das nun erwärmte Öl wieder aufgeladen. Dies kann auf mehrere Arten geschehen. Zum einen kann das Ventil 13 wieder in die Position für den Aufwärmbetrieb gebracht werden, so dass das warme Öl durch den Wärmespeicher 15 zirkuliert und diesen dabei auflädt. Nachdem der Wärmespeicher 15 vollständig aufgeladen ist, wird der Schmiermittelkreislauf 6 mittels des Ventils 13 wieder auf den Kühler 11 umgeschaltet. Während der Aufladung des Wärmespeichers 15 übernimmt dieser die Funktion des Ölkühlers 11, indem er das Öl abkühlt.
Es ist auch möglich, dass das Ventil 13 eine Stellung einnimmt, in der ein Teil des Öls durch den Kühler 11 zirkuliert während ein anderer Teil des Öls durch den Wärmespeicher 15 zirkuliert. Auch kann die Leitung 12 oder ein Teil der Leitung 12 an dem Wärmespeicher 15 derart vorbei oder durch ihn hindurch führen, dass das erwärmte Öl Wärme an den Wärmespeicher 15 abgibt, um ihn aufzuladen. Idealerweise ist die Aufladeleistung des Wärmespeichers so ausgelegt, dass sie der Kühlleistung des Ölkühlers entspricht. Auf diese Weise würde die Umschaltung der Schmiermittelkreislauf mit dem Ventil 13 keine Auswirkung auf die Öltemperatur des Motors haben.
Nachdem der Wärmespeicher 15 aufgeladen ist, verbleibt das Schmierungssystem 5 im Normalbetrieb. Der Zeitraum des Aufladens des Wärmespeichers 15 ist ein Sonderfall des Normalbetriebs, in dem das Ventil 13 unter Umständen die Position des Aufwärmbetriebs innehaben kann.
Nachdem der Motor 1 ausgeschaltet und erneut gestartet wurde, wird zunächst die Temperatur des Öls gemessen, um zu entscheiden, ob das Schmierungssystem 5 direkt im Normalbetrieb starten kann. Dies ist der Fall wenn das Öl und/oder der Motor noch seine Betriebstemperatur oder eine darüber liegende Temperatur aufweist. Wenn das Öl und/oder der Motor 1 eine Temperatur unterhalb einer Betriebstemperatur oder einer anderen definierten Temperaturschwelle aufweist und der Wärmespeicher mit verfügbarer Energie geladen ist, wird das Schmierungssystem 5 in den Aufwärmbetrieb versetzt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3344484 A1 [0003]
DE 2927680 A1 [0003]
EP 2103789 A1 [0003]
DE 102005052632 A1 [0004]

Claims

Schmierungssystem für einen Verbrennungsmotor (1), mit einem Schmiermittelkreislauf (6), einem Kühler (11) zum Kühlen des Schmiermittels, einem stromaufwärts des Motors (1) angeordneten Wärmespeicher (15) zum Aufwärmen des Schmiermittels, der parallel zu dem Kühler (11) geschaltet ist, und einem Ventil (13) zum Umschalten des Schmiermittelkreislaufs (6) zwischen Kühler (11) und Wärmespeicher (15).
Schmierungssystem nach Anspruch 1, wobei das Schmiermittel Öl ist.
Schmierungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Pumpe (9) im Schmiermittelkreislauf (6) zur Förderung des Schmiermittels angeordnet ist.
Schmierungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Wärmespeicher (15) ein chemischer Wärmespeicher ist.
Schmierungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Schmiermittelkreislauf (6) in einem Normalbetrieb durch den Kühler (11) verläuft und in einem Aufwärmbetrieb durch den Wärmespeicher (15) verläuft.
Schmierungssystem nach Anspruch 5, wobei der Wärmespeicher (15) derart an dem Schmiermittelkreislauf (6) angeordnet ist, dass der Wärmespeicher (15) im Normalbetrieb von dem Schmiermittel aufgeladen wird.
Schmierungssystem nach Anspruch 6, wobei die Kühlleistung des Kühlers (11) im wesentlichen gleich der Ladeleistung für den Wärmespeicher (15) ist.
Schmierungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Wärmespeicher (15) direkt stromaufwärts des Motors (1) angeordnet ist.
Verbrennungsmotor (1) mit einem Schmierungssystem (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Verfahren zum Schmieren eines Verbrennungsmotors (1) mit einem Schmiermittelkreislauf (6), mit den folgenden Schritten: – Zirkulieren des Schmiermittels entlang eines Wärmespeichers (15) in einem Aufwärmbetrieb; – Umschalten des Schmiermittelkreislaufs (6) in einen Normalbetrieb; – Zirkulieren des Schmiermittels entlang eines Kühlers (11), der zum Wärmespeicher (15) parallel geschaltet ist, in dem Normalbetrieb.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Wärmespeicher (15) im Normalbetrieb aufgeladen wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei in den Normalbetrieb umgeschaltet wird, wenn der Wärmespeicher (15) die verfügbare Energie abgegeben hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei in den Normalbetrieb umgeschaltet wird, wenn das Schmiermittel eine Betriebstemperatur erreicht hat.